Установлены условия перехода «мягких» частиц в жидкое состояние, что важно для биологии

Исследователи Самуэль Пуэнклу (ныне в Университете Аояма Гакуин) и Кадзумаса А. Такеучи из Токийского университета выяснили условия, при которых большое количество «мягких» частиц, способных менять форму под внешним воздействием, переходит из твердоподобного состояния в жидкоподобное.

Подобные переходы происходят во многих биологических процессах, включая развитие эмбриона: клетки — это «мягкие» биологические «частицы», которые образуют твердые ткани, а иногда текут, формируя различные органы.

Таким образом, экспериментальная и теоретическая модель поможет разделить роли механических и биохимических процессов — ключевую задачу в биологии. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Экспериментальный подход

Исследователи подошли к задаче через эксперименты, компьютерное моделирование и геометрическое описание. В качестве «мягких» частиц они использовали тонкие резиновые кольца, уложенные в контейнер. Они варьировали количество колец, плотность «частиц» и силу боковых сил, приложенных к кольцам.

С помощью снимков ученые измеряли положение, форму и точки контакта колец друг с другом по мере деформации всей системы. Эти измерения позволили количественно оценить, насколько кольца меняли положение (жидкоподобное поведение) или форму (твердоподобное поведение). Затем были проведены компьютерные симуляции и геометрический анализ для понимания роли трения и взаимодействий между кольцами.

Ключевой результат

«Главный сюрприз мы обнаружили в самом конце проекта, — говорит Пуэнклу. — Несмотря на большие и сложные изменения формы, связанные с фрикционным взаимодействием, в основе наблюдаемого перехода к текучести лежит простое геометрическое описание».

Эти выводы — первые шаги к пониманию того, как взаимодействуют «мягкие» биологические частицы в живых организмах. «Чтобы приблизиться к биологическим тканям, мы могли бы, например, модифицировать взаимодействия и добавить адгезию колец, чтобы имитировать связывающие белки между клетками», — отмечает ученый.